홀 효과 측정 시스템

홀 효과는 1879년 에드윈 홀이 발견했지만, 기술 발전으로 집적 회로가 이 현상을 최대한 활용할 수 있게 되기까지는 수년이 걸렸습니다. 오늘날 홀 효과 센서 IC는 측정된 전류 경로와 측정 회로 간의 전기적 절연을 유지하는 정확한 전류 측정을 달성하는 편리한 방법을 제공합니다.

로렌츠에서 홀까지
홀 효과는 로렌츠 힘의 확장으로, 자기장을 통과하는 전자와 같은 대전된 입자에 가해지는 힘을 설명합니다. 자기장이 전자의 운동 방향에 수직으로 배향되어 있으면 전자는 운동 방향과 자기장의 방향에 수직인 힘을 경험합니다.

홀 효과 활용
홀 효과를 통해 생성된 전압은 일반적으로 회로에 영향을 미치는 잡음, 오프셋 및 온도 효과에 비해 작기 때문에 홀 효과에 기반한 실용적인 센서는 반도체 기술의 발전으로 홀 소자와 홀 전압을 증폭하고 조절하는 데 필요한 추가 회로를 통합한 고집적 구성 요소가 가능해질 때까지 널리 퍼지지 않았습니다. 그러나 홀 효과 센서는 작은 전류를 측정하는 능력이 제한적입니다. 예를 들어 Allegro MicroSystems의 ACS712는 감도가 185mV/A입니다. 즉, 10mA의 전류는 1.85mV의 출력 전압만 생성합니다. 이 전압은 회로의 잡음 플로어가 낮은 경우 허용될 수 있지만 전류 경로에 2Ω 저항을 포함할 수 있다면 결과적으로 20mV의 출력 전압이 크게 개선될 것입니다.

홀 효과는 다양한 센서 애플리케이션과 관련이 있습니다. 전류, 자기장, 전압 간의 비교적 간단한 관계에 기반한 장치를 사용하여 위치, 속도, 자기장 강도를 측정할 수 있습니다. 그러나 이 기사에서는 측정된 전류에 의해 유도된 자기장이 통합된 홀 효과 소자로 집중될 때 생성되는 홀 전압을 통해 전류를 측정하는 장치에 초점을 맞출 것입니다.

장점과 단점
성능 특성은 홀 효과 전류 센서마다 다르므로 다른 일반적인 전류 감지 기술, 즉 전류 경로에 정밀 저항기를 삽입하고 차동 증폭기로 결과 전압 강하를 측정하는 것과 관련하여 홀 효과 감지의 장단점을 정확하게 요약하기 어렵습니다. 그러나 일반적으로 홀 효과 센서는 "비침입적"이고 전류 경로와 측정 회로 사이에 전기적 절연을 제공하는 것으로 평가됩니다. 이러한 장치는 전류 경로에 상당한 양의 저항이 삽입되지 않기 때문에 비침입적이라고 간주되며, 따라서 측정되는 회로는 센서가 없는 것처럼 거의 작동합니다. 추가적인 이점은 센서에서 소모되는 전력이 최소라는 것입니다. 이는 특히 큰 전류를 측정할 때 중요합니다.

정확도와 관련하여 현재 사용 가능한 홀 효과 센서는 출력 오류를 1%까지 낮출 수 있습니다. 잘 설계된 저항성 전류 감지 회로는 이를 능가할 수 있지만, 홀 효과 장치가 특히 적합한 고전류/고전압 애플리케이션에서는 일반적으로 1%가 적절할 것입니다.

격리
홀 효과 센서의 주요 이점 중 하나는 전기적 절연으로, 회로 또는 시스템 설계 맥락에서 종종 갈바닉 절연이라고 합니다. 갈바닉 절연의 원리는 설계에서 두 회로가 전류의 직접적인 흐름을 방지하는 방식으로 통신해야 할 때마다 관련됩니다. 간단한 예로 디지털 신호가 광 절연기를 통과할 때 전압 펄스를 광 펄스로 변환하여 전기적으로가 아닌 광학적으로 데이터를 전송하는 경우가 있습니다. 갈바닉 절연을 구현하는 주요 이유 중 하나는 접지 루프와 관련된 문제를 방지하기 위한 것입니다.

기본 회로 설계 원리는 상호 연결된 구성 요소가 공통 접지 노드를 공유한다고 가정하며, 이는 0 V에 있다고 가정합니다. 그러나 실제로 "접지 노드"는 저항이 0이 아닌 도체로 구성되며, 이러한 도체는 회로에서 전원 공급 장치로 다시 흐르는 전류의 복귀 경로 역할을 합니다. 옴의 법칙은 전류와 저항이 전압을 만들고 복귀 경로에서 이러한 전압 강하는 회로 또는 시스템의 한 부분에 있는 "접지"가 다른 부분에 있는 "접지"와 동일한 전위에 있지 않음을 의미합니다. 접지 전위의 이러한 차이는 무시할 수 있는 문제에서 치명적인 문제까지 발생할 수 있습니다.

두 회로 사이의 직류 흐름을 방지함으로써, 갈바닉 절연은 서로 다른 접지 전위를 가진 회로가 성공적으로 통신할 수 있도록 합니다. 이는 특히 전류 감지 애플리케이션과 관련이 있습니다. 저전압 센서와 처리 회로는 예를 들어 모터 구동 회로에서 크고 매우 가변적인 전류를 모니터링해야 할 수 있습니다. 이러한 크고 빠르게 변화하는 전류는 복귀 경로에서 상당한 전압 변동을 초래합니다. 홀 효과 센서를 사용하면 시스템이 구동 전류를 모니터링하고 고정밀 센서 회로를 이러한 해로운 접지 변동으로부터 보호할 수 있습니다.

공통 모드 전압
홀 효과 센서의 또 다른 중요한 응용 분야는 고전압을 포함하는 전류 측정입니다. 저항성 전류 감지 회로에서 차동 증폭기는 저항기의 한 쪽과 다른 쪽 사이의 전압 차이를 측정합니다. 그러나 이러한 전압이 접지 전위에 비해 큰 경우 문제가 발생합니다.

실제 증폭기는 제한된 "공통 모드 범위"를 가지고 있습니다. 즉, 입력 전압이 서로에 비해 작지만 접지에 비해 너무 클 경우 장치가 제대로 작동하지 않습니다. 전류 감지 증폭기의 공통 모드 범위는 일반적으로 80V 또는 100V를 넘지 않습니다. 반면 홀 효과 센서는 측정된 회로의 접지 전위를 참조하지 않고 전류를 전압으로 변환할 수 있습니다. 결과적으로 전압이 물리적 손상을 일으킬 만큼 크지 않은 한 공통 모드 전압은 홀 효과 장치의 작동에 영향을 미치지 않습니다.

홀 효과는 샘플을 통과하는 자기장과 샘플 길이를 따라 흐르는 전류의 조합이 자기장과 전류에 수직인 전류를 생성하고, 이는 다시 자기장과 전류에 수직인 횡전압을 생성할 때 관찰할 수 있습니다. 기본 원리는 로렌츠 힘입니다. 전자기장으로 인해 점 전하에 작용하는 힘입니다.

홀 효과 측정은 실리콘 기반, 복합 반도체, 태양 전지용 박막 재료 또는 그래핀과 같은 나노스케일 재료 등 반도체 재료를 특성화하는 데 매우 중요합니다. 측정은 낮은 저항(고도로 도핑된 반도체 재료, 고온 초전도체, 희석 자기 반도체 및 GMR/TMR 재료)과 반절연성 GaAs, 질화 갈륨 및 텔루르화 카드뮴을 포함한 높은 저항 반도체 재료를 포함합니다.

홀 효과 측정 시스템은 다양한 재료 매개변수를 결정하는 데 유용하지만, 가장 중요한 것은 홀 전압(VH)입니다. 캐리어 이동도, 캐리어 농도(n), 홀 계수(RH), 저항률, 자기 저항(RB) 및 캐리어 전도도 유형(N 또는 P)은 모두 홀 전압에서 파생됩니다.

연구자들이 차세대 IC와 더 효율적인 반도체 소재를 개발함에 따라, 그들은 특히 그래핀에 대한 많은 관심을 불러일으킨 높은 캐리어 이동성을 가진 소재에 관심을 가지고 있습니다. 이 탄소의 단일 원자 두께 형태는 양자 홀 효과를 나타내며, 결과적으로 상대론적 전자 전류 흐름을 나타냅니다. 연구자들은 홀 효과 측정이 전자 산업의 미래에 중요하다고 생각합니다.

높은 캐리어 이동성을 가진 재료는 더 빠른 스위칭 시간과 더 높은 대역폭으로 더 낮은 전력 레벨에서 최대 전류 흐름을 얻는 장치를 만들 수 있습니다. 옴의 법칙을 조작하면 전류를 최대화하는 데 캐리어 이동성이 중요하다는 것을 알 수 있습니다. 전류는 캐리어 이동성에 직접 비례합니다.

장치를 통한 전류 흐름을 최대화하기 위한 옵션에는 전압 증가, 전하 캐리어 농도, 샘플의 단면적 또는 전하 캐리어의 이동성이 포함됩니다. 마지막을 제외한 모든 옵션은 심각한 단점이 있습니다.

이동성 측정
캐리어 이동도를 결정하는 첫 번째 단계는 샘플에 수직인 자기장(B)과 샘플을 통과하는 전류(I)를 모두 강제로 가하여 홀 전압(VH)을 측정하는 것입니다. 이 조합은 횡 전류를 생성합니다. 결과적인 전위(VH)는 디바이스를 가로질러 측정됩니다. 샘플 두께(t)와 저항률(r)을 모두 정확하게 측정해야 합니다. 저항률은 4점 프로브 또는 반 데르 파우 측정 기법을 사용하여 결정할 수 있습니다. 이 다섯 가지 매개변수(B, I, VH, t 및 저항률)만 있으면 홀 이동도를 계산할 수 있습니다.
홀 전압과 측정된 반 데르 포우 저항률은 일반적으로 매우 작기 때문에 정확한 이동도 결과를 얻으려면 올바른 측정 및 평균화 기술이 중요합니다.